Innovative FO based composite sensor for railway SHM

This thesis presents the design, development, production, and testing of a Fiber Bragg Grating (FBG) based sensor for displacement monitoring in railway insulating joints. The aim is to define a design capable of real-time control of the integrity of the insulating joint through the use of an FBG sensor embedded in a mechanical structure to support it. This will be done starting with a study of the insulating joint structure and phenomena affecting it, and a review of existing displacement sensors based on FBG technology. The design process involves development of an analytical model and later a more in depth study of the complex behaviour through Finite Element Method analysis. Finally, production and testing of a prototype will be carried out to confirm the theoretical design. The final result is a half-ring PW glass fibre composite structure where the optical fibre in embedded and the FBG is placed on top of the curve, enabling to tune the strain felt keeping contained dimensions. Manufacture in autoclave with a mould and test in tension were carried out, demonstrating that the sensor effectively works being able to tune the strain and offers a promising solution for robust, real-time structural health monitoring of railway infrastructure.

Questa tesi presenta la progettazione, sviluppo, produzione e test di un sensore basato su Fiber Bragg Grating (FBG) per il monitoraggio degli spostamenti nei giunti isolanti ferroviari. L'obiettivo è definire un design in grado di controllare in tempo reale l'integrità del giunto isolante attraverso l'uso di un sensore FBG integrato in una struttura meccanica di supporto. A tal fine, si partirà dallo studio della struttura del giunto isolante e dei fenomeni che lo influenzano, oltre a una revisione dei sensori di spostamento esistenti basati sulla tecnologia FBG. Il processo di progettazione prevede lo sviluppo di un modello analitico, seguito da un'analisi più approfondita del comportamento complesso mediante il Metodo degli Elementi Finiti. Infine, verranno realizzati e testati prototipi per confermare la validità del design teorico. Il risultato finale è una struttura composita in fibra di vetro PW a forma di semi anello, in cui la fibra ottica è incorporata e il reticolo FBG è posizionato sulla parte superiore della curva, consentendo di regolare la deformazione percepita mantenendo dimensioni contenute. La produzione è stata effettuata in autoclave con l'uso di uno stampo, seguita da test di trazione, dimostrando che il sensore funziona efficacemente, riuscendo a modulare la deformazione e offrendo una soluzione promettente per il monitoraggio strutturale in tempo reale delle infrastrutture ferroviarie.